固定翼无人机在电力巡检应用中的技术升级*

黄 婷，刘平原，林 韬，王 丛

（1．清华大学深圳研究生院，广东深圳 518055；2．广东电网机巡中心，广东广州 510080）

0 引言

无人机是一种无人驾驶的、由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵、可搭载各种检测设备、能够重复利用并且带有发动机的空中飞行器。作为20世纪从战争中兴起的新型技术，无人机已广泛应用于军事、消防、救灾、测绘、航拍、农业等领域中[1]。

在我国电网规模蓬勃发展的今天，无人机在电力巡检中扮演了重要角色。无人机巡线具有部署方便灵活、远程监控实时性好、人工成本低、续航能力长等优点，巡检方式简单可靠、稳定灵活，尤其在地势条件严酷的线路，无人机可以方便快速地进行检测，且受恶劣天气的影响较小，是一种高效智能的电力巡线模式[2]。

电力巡线无人机主要分为固定翼无人机与多旋翼无人机两种。相比于多旋翼无人机，固定翼无人机装载能力更强、续航能力更长、速度更快，在国网和南网中被广泛应用[3]。近年来，广东电网在固定翼无人机的应用巡检记录上取得阶段性的突破。针对固定翼无人机技术存在的起飞场地限制、事故率高、数据处理效率低等问题，广东电网机巡作业中心对固定翼作业进行了相关技术的全方位优化与改良，取得了良好的效果。通过引入垂直起降固定翼、升级后台处理软件，优化数据处理流程，使得固定翼作业效率整体提高30%。对于固定翼无人机在电力巡检的应用推广具有建设性的作用。

1 无人机的应用现状

1.1 无人机的应用概况

无人机技术包含了计算机、通信、传感、快速作业的能力，涉及航空、飞行自动控制、通信、红外成像、地理信息、卫星导航等多个高尖技术领域。能够独立完成一些特殊任务，同时一般不受人的操作技能或生理特性限制，具有低成本、低损耗、零伤亡、可重复性和高机动性等优势。作为20世纪从战争中兴起的新型技术，无人机已广泛应用于军事、消防、救灾、测绘、航拍、农业等领域中。

无人机在军事领域中有着广泛应用，在诸如特种作战、空中攻击、空中无线电以及电子干扰等任务中扮演重要的角色。在农业领域中，无人机也因为工作适应性好和操作灵活等优势引起了广泛的关注，国内先后有隆鑫通用、极飞、大疆、无锡汉和等多家知名企业投入到农业无人机的生产中来[4]。

1.2 无人机在电力行业的应用

截至2014年，我国电网规模和发电能力位列世界第一，全国电网220kV及以上线路回路长达57.2万千米，这对输电线路巡线维护提出了更高的要求。无人机巡线作为一种高效、智能的巡检方式，逐渐取代了人工巡检和有人直升机巡检，在电路巡检中起到了非常重要的作用[5]。

与人工巡检相比：传统的输电线路巡检方式是人工巡检，该方法工作量大、条件艰苦、效率低下，对人力要求高，特别对处在严酷地形的线路来说，人工巡检操作艰难，并且具有很大的安全隐患。而无人机巡线具有部署方便灵活、减少人员成本、远程监控实时性好等优点，简单可靠、运行稳定、经济性高、续航能力长、速度快，尤其在地势条件严酷的线路，无人机可以方便快速地进行检测，且受恶劣天气的影响较小，相关数据表明，无人机巡检成本仅为人工巡检的30%[6]。

与有人直升机相比：与有人直升机相比，无人机无需产生调机、停机费用，无需进行飞行员培训、飞行申请，飞行不受时间和地点限制，可快速方便地组织开展输电线路巡线。在西藏的拉萨以及高原地区的电线巡视中，已经实现无人机在高压和高海拔地区连续工作[7]。近几年无人机技术日益成熟，在远程遥控、续航时间和飞行品质上有了巨大的发展，无人机在在输电线路安全巡视作业中也将逐渐取代有人直升机[8]。

无人机在云南电网灾情快速勘测中应用取得了重大的进展和突破。针对架空输电线路可能遭受的覆冰、山火、地质（台风）等灾害，云南电网研究了无人机在电网灾情快速勘测中的应用，重点解决制约大型无人机在输电线路灾情勘测与快速评估业务化推广的技术问题。并且取得了以下突破：（1）大型无人机输电线路覆冰状态信息获取；（2）山火（含暗火）实时识别与快速定位；（3）覆冰勘测（山火监测）专用载荷研制；（4）地质灾害区域自动识别；（5）灾情快速分析与综合评估等关键技术。在此基础上，形成大型无人机输电线路覆冰勘测（山火监测）专用载荷设备，基于移动通信网络的链路聚合传输设备，大型无人机输电线路灾情快速处理与评估系统软件，通过飞行验证实现大型无人机在输电线路灾情勘测与快速评估的示范应用。

1.3 无人机巡线经济效益分析

以广东电网无人机应用为例。广东电网辖区内输电线路里程共7万千米，全省年度巡视里程为109万千米。2017年“机巡+人巡”输配电线路巡视工作在不考虑设备成本的情况下，多旋翼无人机巡视单价为197.30元∕km，小于人工巡视单价307.12元∕km，平均每千米可节约巡视成本109.82元；由于2017年“机巡+人巡”方式的巡视工作处于开展初期，机巡占比较小，在考虑设备成本的情况下，运用新的运行策略时，“机巡+人巡”方式总投资与传统人工巡视总投资基本相当，综合成本单价高于传统人工巡视成本单价。随着技术、设备和人才的租金的日益成熟，至2020年，“机巡+人巡”输配电线路巡视总投资为20 526.60万元，相较于2017年初期总投资28 007.78万元下降了26.71%，而综合成本单价则下降了38%，且各方面条件发展成熟后的综合成本单价为326.86元∕km，小于传统人工综合成本单价356.54元∕km.

2 固定翼无人机在广东电网的应用

2.1 固定翼无人机与多旋翼无人机

目前应用于输电线路巡检工作的无人机主要是两大类：多旋翼无人机和固定翼无人机。

多旋翼无人机只需要一块空旷平整的场地进行垂直起降，起降灵活，可悬停和低速飞行，可完成近距离、低速运动或长时间保持同一视角的观测任务。操控简单，可通过摇杆精确控制无人机位置，以检测目标。多旋翼无人机利用无人机飞控增稳系统，能使机身自动平衡，具有很高的稳定性。多旋翼无人机具有起降灵活和自由悬停等诸多特点，但是其荷载能力和续航能力技术尚未成熟，固定翼无人机可弥补这方面的不足[9-11]。

相比于多旋翼无人机，固定翼无人机具有以下几个优点：（1）更高的装载能力：固定翼无人机不需克服自身重力，电机推力只要在机身重力的1∕10量级便可起飞，可装载更大的电池和更多设备；（2）更长的续航时间：可装载更多电池设备，同样容量的电池可飞行更长时间，续航时间远高于多旋翼无人机；（3）速度快：固定翼无人机速度一般能达到80 km∕h，是多旋翼的三五倍。在搭载同样设备的情况下，可对线路进行更大范围的排查[12-14]。

固定翼无人机可长时间滞空等特点解决了多旋翼无人机的问题，不但可以对线路、杆塔局部进行精细巡检，还可对线路走廊全局进行快速普查，从而满足电力巡检的要求。固定翼无人机主要对线路通道、周边环境、施工作业、交叉跨越等情况进行巡检，及时发现和掌握线路通道环境动态变化及线路本体明显缺陷，灾害时迅速进行灾情普查和灾情评估。

2.2 固定翼无人机应用成果

近年来，广东电网在固定翼无人机的应用巡检记录上取得阶段性的突破。2016年固定翼无人机巡视里程1.2万km，实现了固定翼无人机大范围通道巡视。2017年，无人机巡视线路8.3万km，其中固定翼作业7.6万km，无人机作业量全球第一，发现缺陷6.8万处，其中树障重大缺陷1.9万处，在湛江、梅州、江门、茂名、清远等9个地市开展防山火特巡3673km，发现13个山火重大隐患，累积作业里程居全球首位。通过引入垂直起降固定翼、升级后台处理软件、优化数据处理流程，使得固定翼作业效率整体提高30%。在肇庆、江门、佛山等供电局118条配网线路上试点开展“机巡+人巡”运维工作，发现缺陷503处，推动配网运维由事后故障处理向事前消缺的转变。

固定翼无人机的应用在以下几个方面取得很好的效果：（1）广东电网通过对固定翼无人机技术的改造和升级，解决人工劳动最为密集的输电线路通道巡视难题，通过无人机立体测图技术，开创性地实现树障及其他隐患点的三维距离量测；（2）大大提升了智能作业的快速性和精准性，在应对台风、冰冻等自然灾害时，实现快速勘灾，为抢修赢得先机，大大缩短复电时间，赢得社会广泛赞誉；（3）机巡作业可集中发现大量缺陷，设备运维单位一次停电即可消除大量缺陷，一方面减少线路重复停电时间，提升了客户满意度，另一方面消除设备隐患，提高了设备健康水平，确保电网安全稳定运行；（4）采用多旋翼无人机和固定翼无人机分工组合验收的形式开展，固定翼无人机完成树障、边坡、房屋、施工黑点等通道验收项目，多旋翼无人机完成铁塔、绝缘子、金具、附件、导地线、防震锤等精细化验收项目。

3 固定翼无人机存在的问题及技术升级

针对固定翼无人机存在的针对固定翼无人机技术存在的起飞场地限制、事故率高、数据处理效率低等问题，广东电网通过引入垂直起降固定翼、升级后台处理软件、优化数据处理流程，使得固定翼作业效率整体提高30%，在固定翼无人机巡检技术上取得了关键技术的突破和创新。

3.1 垂直起降技术

相对于多旋翼无人机，固定翼无人机对起飞场地有很高的要求。由于其飞行原理上的特点，固定翼无人机需要很长的助跑跑道，发动机向后推动以获取较高的速度，以此获得较大速度的相对气流，从而产生足够大的升力使飞机起飞。因而对起飞场地的要求较为苛刻。

升级后的机型是固定翼和多旋翼复合机型，同时具备了固定翼和多旋翼无人机两者的优点，并且克服了固定翼无人机的缺点。既保留了传统固定翼续航时间长、速度快的优势，还具备多旋翼无人机的垂直起降技术。垂直起飞技术无需通过助跑获取足够的升力而起飞，所以克服了起飞场地限制的问题。并且，避免了伞降瞬间剧烈冲击造成的机体磨损、零部件松脱等潜在的机身安全隐患，大幅度提高了飞机的可靠性。

3.2 定位技术升级

固定翼无人机航点采集的GPS精度不足，并且尚不能实现固定翼无人机长距离范围的远程控制，因而固定翼无人机飞行故障率高。为了改善无人机定位和远程操控的不足，对固定翼无人机的定位技术进行了以下两个方面的升级。

（1）精准时空定位技术：该机型兼具RTK（实时差分）和PPK（后差分定位）功能，在起飞和降落阶段使用RTK实现了精准起降，在执行作业任务阶段使用PPK，提高了采集航点的GPS精度，全面提升作业便捷性以及数据精准度，机组人员只需一键发送起飞和降落指令即可完成整个飞行，操作简单，操作简单，将原有的培训时间由30天缩短至15天，培训成本降低一半。

（2）铱星远程控制与追踪定位技术：升级后的机型采用铱星卫星链路，可实现无人机百千米远程控制，填补了固定翼无人机盲飞的空白，使得无人机在没有2∕3∕4G网络信号的区域，不仅可以实时监控无人机状态，还可以远程控制无人机，按照空域使用要求，可以实现随时迫降或者返航。

3.3 数据处理技术升级

固定翼无人机巡检产生海量摄影数据，对于数据的处理难度较大。一是巡检影像的整理需大量时间，特别是外委部分送达后需要消耗较多时间整理；二是缺陷识别效率较低。在目前人员现状条件下，对于海量数据的处理极为低下；三是缺陷识别准确率低，无人机作业人员中具备丰富线路运维经验的人员较少，特别是外委单元人员中基本不具备电气知识，造成缺陷识别准确度较低。为了提升固定翼无人机巡检数据的效率，对以下几个方面进行改造优化。

（1）免像控技术：无人机配合PPK技术在提供厘米级定位信息的同时，引入曝光引闪器，将相机曝光延时从400 ms降低至10 ms以内，将照片位置误差和惯导误差控制技术提升至行业领先水平；同时，通过搭载全画幅4000万像素单倾斜相机，即可超越倾斜双相机精度，还使影像数据量减少一半，大幅度降低了数据解算工作量，使得数据解算效率翻倍。

（2）自动驾驶技术：无人机配套自动驾驶软件升级为输电线路通道巡视专用版，内嵌Google Earth三维地表高差模型，在导入输电线路坐标后，一键生成作业航线，拥有飞行坡度角自动修正、自动添加预转弯、自动实现碰撞检测等适合线路通道巡视的高级功能，一个软件替代了原来5个软件的工作，使得航线规划工作在10分钟内完成，效率提高5倍以上。

（3）数据处理：2017年，数据处理在保证精度的情况下，不但将原有6个软件通过优化集成，缩减至2个软件，使得处理流程更加便捷；而且，实现了影像三维点云的编辑与分类功能，可将噪点数据删除、地表快速分类，大幅度提高了安全距离判断的准确性；同时，添加了诸如报告自动生成、导线镜像复制、测距结果三维校核等自动功能，无论是数据处理效率，还是处理质量，都实现了质的提升，将数据处理能力由12千米∕人∕日，提升至20千米∕人∕日。

4 结论

固定翼无人机具有装载能力强、续航能力长、速度快的优点，但是同时存在起飞场地限制、事故率高、数据处理效率低等问题。广东电网机巡中心近几年来对固定翼无人机巡检技术进行多方面的技术改善，通过引入垂直起降固定翼、升级后台处理软件，优化数据处理流程，大大提高了固定翼作业效率，对于输电线路电力巡检有重要的意义。